同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件及其製備和應用的製作方法

2023-05-02 07:51:21

專利名稱：同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件及其製備和應用的製作方法
技術領域：
本發明的具有驅動和傳感能力的PVDF與離子交換膜組合功能器件可廣泛應用於航空航天、仿生工程、生物醫藥以及能量收集等領域。
背景技術：
長期以來，研究人員一直致力於在工程和機械領域廣泛應用的硬材料研究，然而， 自然界中動、植物生物體的機械結構通常是軟材料。與傳統的金屬、陶瓷等「硬質材料」相比，高分子聚合物是「軟質材料」的典型代表。軟質材料針對外界的刺激(如機械應力、溫度、 電磁場等等)能夠產生不同程度的形變而體現出活性。智能軟材料是一種能感知外部刺激、 進行判斷並適當處理且本身可執行的新型功能材料，相比傳統硬質智能材料具有可承受大變形、具備良好生物親和性、密度低等特點。智能材料及智能器件有著巨大的潛在的應用前景，從大到石油開採密封，小到藥物輸送，在機械，醫療，軍工都有廣泛的應用，由於其變形能力和驅動力都接近於生物肌肉，在機器人領域也有非常好的發展前景。智能軟材料在模擬生物特徵方面展現出了無與倫比的特性，因此它也被稱為「活」性軟材料。作為新型智能軟活性聚合物材料的代表，電致活性聚合物(Electro-active polymer ΕΑΡ)主動軟材料日益顯示出其巨大的優越性。離子型EAP如離子聚合物基金屬複合材料(IPMC)等。IPMC材料可以在較低電壓下(1 2V)產生誘導彎曲位移，但是需要保持一定的溼潤度，而且在直流電場激勵下很難保持穩定的誘導位移。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物是最常見的鐵電智能軟聚合物。由於它們具有良好的柔韌性並易製成大面積的薄膜，因而在音頻和超聲傳感器、生物醫學傳感器、機電換能器以及熱釋電和光學器件中具有重要的應用前景。但其致動能力低下，在 150MV/m電場下，其電致伸縮應變為7%。
常規IPMC及PVDF屬性及優、缺點
表一兩種功能材料的基本特徵
權利要求
1.一種同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件，包括PVDF膜構成的壓電層，其特徵在於，所述的複合材料以離子交換增強導電層(1)為中心，上下兩面由內向外對稱的設有壓電層(2)和電極層(3);壓電層(2)的設置為以離子交換增強導電層(1)為中心兩邊正負極相互對應設置；所述的離子交換增強導電層(1)為離子交換溶液固化成型得到，所述的離子交換溶液為Nafion溶液中均勻添加納米級導電顆粒；所述的壓電層(2)為PVDF膜；所述的電極層 (3)為金屬Ag或Al構成的呈網格狀的若干相互獨立的微電極，各微電極之間相互絕緣，根據設計需要與驅動源或是傳感源進行電連接。
2.如權利要求1所述的同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件，其特徵在於，所述的納米級導電顆粒為碳納米管、石墨烯或納米級金屬粉末。
3.製備權利要求1或2所述的同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的方法，採用一體澆注成型法，其特徵在於，步驟為第一步，配製離子交換溶液向質量百分比濃度為 25 50%的Nafion溶液中，按照體積比為DMSO :Naf ion 1:20 50滴加DMS0，然後超聲震蕩去除溶液中的氣泡得到鑄膜液；按納米級導電顆粒的體積佔成膜體積的1 5%的比例將納米級導電顆粒加入鑄膜液中，超聲震蕩分散均勻得到離子交換溶液；第二步，固定壓電層對壓電層PVDF膜的黏結表面進行粗化，使表面呈磨砂狀，清潔後在另一面塗抹脫模劑，以兩片PVDF膜為一組，將每組PVDF膜按照正負極相互對應的，分別固定於兩個滑動分隔片(II-3)的相對的表面，再將滑動分隔片(II-3)放置於成型模具中， 安裝好成型模具；第三步，澆注成型將第一步得到的離子交換溶液澆注於成型模具中，真空乾燥至得到的離子交換增強導電層的表面乾燥，打開成型模具，將滑動分隔片(II-3)連同中間的離子交換增強導電層以及成型模具內的定位導軌(II-4) 一起取出，從最外側的兩個滑動分隔片 (II-3)使用夾持裝置夾持緊固置於烘箱乾燥，成型後自然冷卻至室溫；再放入超純水中吸水溶脹，取出後順次拆下滑動分隔片(II-3)得到層狀聚合物；第四步，製備電極層(3):在烘乾的層狀聚合物的表面按設計要求採用塗敷或加防護罩的方法，使用常規的濺射或是蒸鍍的方式鍍上金屬Ag或Al形成網格狀的相互絕緣的微電極；第五步，然後，置於70 100°C恆溫場中，以600 1000KV /cm的極化電壓，極化0. 5 1小時，緩慢冷卻至室溫後撤去電場。
4.用於權利要求3的製備同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的方法中的成型模具，其特徵在於，整體為截面為矩形的中空柱形結構，由上到下依次分為限位裝置(I)和成型裝置(II)兩個相互獨立的部分，限位裝置(I)和成型裝置(II)的連接處設有密封裝置 (III);所述的限位裝置(I)與滑動分隔片(II-3)兩邊相接的地方設有若干限位槽(1-1);所述的成型裝置(II)由U型固化槽、活動擋板(11-5)、定位導軌(II-4)和滑動分隔片(II-3) 組成，滑動分隔片(II-3)的高度大於成型裝置(II)的高度，滑動分隔片(II-3)的頂端對應於限位槽(I-I)的部位設有凸起，滑動分隔片(II-3)穿過定位導軌(II-4)滑動設於定位導軌(II-4)上，定位導軌(II-4)可拆卸的懸空設置於U型固化槽內，活動擋板(II-5)可拆卸的設於U型槽的兩個U型截面處；在限位裝置(I)和成型裝置(II)的連接面上相互對應的設有至少一對連接限位裝置。
5.如權利要求4所述的用於製備同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的方法中的成型模具，其特徵在於，所述的限位裝置(I)的高度為成型裝置(II)高度的1.5倍。
6.如權利要求4所述的用於製備同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的方法中的成型模具，其特徵在於，所述的密封裝置(III)為橡膠或矽膠密封圈。
7.如權利要求4所述的用於製備同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的方法中的成型模具，其特徵在於，所述的連接限位裝置為設在U型固化槽上的凸起限位栓(II-7) 與對應設置在限位裝置(I)的底面的限位孔(1-2)構成。
8.基於權利要求1或2所述的同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的使用方法， 其特徵在於，可編程電源產生激勵信號通過控制開關激勵所控制的具有驅動和傳感功能的複合材料產生變形，輸出位移或力的同時產生的壓電信號通過電荷放大系統收集放大後輸入功率放大系統，經功率放大的信號被數字採集系統收集，並轉換為可識別的信號再重新輸入可編程電源，同時調用可編程電源中的控制程序重新調整輸出的激勵信號，循環往復自適應驅動複合材料。
9.如權利要求8所述的基於同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件的使用方法，其特徵在於，每個控制開關獨立控制具有驅動和傳感功能的複合材料的其中一個網格區域， 離子交換增強導電層與壓電層在外加電場的作用下向外加電場的陽極彎曲，控制不同區域的電場方向實現不同區域的相對獨立變形。
全文摘要
本發明公開了一種同時具有驅動和傳感能力的組合功能器件及其製備和應用，包括PVDF膜構成的壓電層，所述的複合材料以離子交換增強導電層為中心，上下兩面由內向外對稱的設有壓電層和電極層；壓電層的設置為以離子交換增強導電層為中心兩邊正負極相互對應設置；所述的離子交換增強導電層為離子交換溶液固化成型得到，所述的離子交換溶液為Nafion溶液中均勻添加納米級導電顆粒；所述的壓電層為PVDF膜；所述的電極層為金屬Ag或Al構成的呈網格狀的若干相互獨立的微電極，各微電極之間相互絕緣，根據設計需要與驅動源或是傳感源進行電連接。在較低的致動電壓下即可輸出大變形，具有較大的功重比。
文檔編號H01L41/193GK102522494SQ201110417560
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者卞侃, 朱程燕, 李偉, 熊克, 盛儀 申請人:南京航空航天大學